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图像与视频含错恢复技术研究

作　者: 丁志鸿
导　师: 刘立柱
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 军事情报学
关键词: 图像 MMR码 JPEG2000 视频抗误码纠错译码错误检测错误隐藏
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着数据压缩技术和通信技术的发展,多媒体应用迅猛发展。数据压缩技术一方面减少了图像视频数据的传输量,另一方面由于压缩数据间相关性的降低而加重了传输过程中误码对图像视频恢复质量的影响。实际通信中,由于环境和设备等因素影响,误码的产生、数据的丢失难以避免,由于压缩码流极易发生误码扩散,会导致图像视频质量严重下降,甚至是无法恢复。现有的抗误码技术如纠错编码和重传机制等,各有其优缺点和适用环境。其中信源解码阶段的抗误码技术不增加编码冗余,与标准兼容,且与信道无关,尤其是在某些特殊应用环境中,信源解码抗误码技术是唯一的选择。论文针对图像和视频压缩数据的特点,分别研究了图像、视频信源码的纠错译码技术和错误隐藏技术。在分析两类抗误码技术优缺点的基础上,研究了信源解码阶段的抗误码新机制。论文的主要贡献体现在如下六个方面:(1)研究了信源解码抗误码新机制。融合接收端抗误码技术,将智能处理技术与译码技术相结合,在误码检测、纠错译码技术研究和错误隐藏技术研究中,采用了模式识别等智能技术,可以充分发挥纠错译码技术、尽早同步技术和错误隐藏技术各自的优势,有效解决误码定位等难题。(2)研究了静止图像信源解码阶段的纠错译码技术,分别提出了基于概率统计的传真MMR码纠错译码算法和针对高权重比特域突发错误的JPEG2000纠错译码算法。前者通过大量的MMR码样本,训练得出含错行比特数以及等长序列的概率模型,纠错前使用基于贝叶斯理论的最大后验估计对模型进行动态更新,由此指导纠错译码,纠错速度较以往算法有了明显的提高。后者针对JPEG2000数据区不同比特对图像恢复质量影响程度的不同,在检测到误码之后,在高权重比特域,使用滑动窗口对误码进行搜索和定位,获得了较好的效果。(3)研究了视频码流错误检测技术,提出了一种基于多特征的视频分级错误检测算法。在研究现有视频码流错误检测技术的基础上,根据模式识别理论,总结了一系列常用的检错特征,同时引入了新特征,然后使用了基于语法、基于阈值和基于支持向量机的三级判决准则进行错误检测。实验表明,该算法可以检测到视觉表现不明显的错误块,提高了错误块检测率。(4)研究了视频空域错误隐藏算法,提出了一种基于边界分段匹配的空域视频错误隐藏算法。根据计算机视觉理论,先对边缘进行估计,根据边缘点的分布及方向对边界进行分割,使用各分段在邻近区域内进行匹配填补,经过迭代各边界按一定策略向内填补最终完成错误隐藏。实验表明,本算法有效地保留了边缘信息,使恢复图像的主客观质量有较大的提高。(5)研究了视频时域错误隐藏算法,针对连续宏块丢失的情况,提出了一种适用于H.264的基于运动物体的时域错误隐藏算法。根据视觉注意机制,首先分析丢失宏块相邻宏块的运动矢量及灰度值分布,然后对平坦区域及灰度一致的运动区域先进行错误隐藏,最后对遗漏像素进行隐藏。实验表明,该算法能很好地保持物体形状,减少块效应,提高了恢复质量。针对整帧丢失的情况,提出了一种基于残差分布的H.264自适应整帧恢复算法。根据视觉注意机制,首先对参考帧的残差信息进行分析,对于平坦区域或刚性运动区域,采用传统的运动矢量复制法,而对运动复杂区域或产生形变等区域进行基于像素的运动矢量重新估计,再以光流法进行恢复。实验表明,本算法在主观视觉质量和客观峰值信噪比上都优于传统方法。(6)在信源解码抗误码新机制的框架下,分别设计了传真MH码二值图像和MPEG-2视频图像抗误码融合技术。前者在译码完成后,对错误扫描线分布进行统计。若错误扫描线为孤立扫描线,则使用新误码补偿技术处理当前扫描线;否则使用滑动窗口在当前行数据流内进行纠错译码;若纠错失败,再使用新误码补偿技术。后者在检测到错误宏块时,判断图像块是否为平坦块,若是则使用错误隐藏技术恢复错误宏块;否则从该宏块编码数据的开始位置尝试纠错译码;若纠错失败再依次使用尽早同步技术和错误隐藏技术。实验表明,信源码抗误码新机制较好地缓解了提高抗误码性能与运算速度之间的矛盾。目前,以本论文研究为基础的系统已在相关单位实际工作中得到使用,发挥着重要作用。

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表目录  7-8
图目录  8-10
摘要  10-12
ABSTRACT  12-15
第一章绪论  15-27
  1.1 课题研究背景和意义  15-17
  1.2 图像视频压缩编码分析  17-23
    1.2.1 图像视频冗余度分析  17-18
    1.2.2 图像压缩中的关键技术分析  18-20
    1.2.3 视频压缩中的关键技术分析  20-23
    1.2.4 课题面临的困难  23
  1.3 研究内容与组织结构  23-27
    1.3.1 论文研究内容  23-25
    1.3.2 论文组织结构  25-27
第二章抗误码分析与新机制研究  27-39
  2.1 误码产生的原因及影响  27-29
  2.2 发送端抗误码技术  29-34
    2.2.1 信源编码抗误码技术  29-32
    2.2.2 信道编码抗误码技术  32-33
    2.2.3 信源信道联合抗误码技术  33-34
  2.3 接收端抗误码技术  34-35
  2.4 交互式抗误码技术  35-37
  2.5 信源解码抗误码新机制研究  37-38
  2.6 本章小结  38-39
第三章图像信源码纠错译码技术  39-61
  3.1 两种常用的图像压缩方式  39-41
    3.1.1 MMR 码编码规则  40
    3.1.2 JPEG2000 新特点  40-41
  3.2 基于假设检验的传真MMR 码纠错译码算法  41-43
  3.3 基于概率统计的传真MMR 码纠错译码算法  43-54
    3.3.1 理论依据  43-45
    3.3.2 问题分析  45-46
    3.3.3 算法具体描述  46-51
    3.3.4 实验结果与分析  51-54
  3.4 针对高权重比特域突发错误的JPEG2000 图像纠错译码算法  54-60
    3.4.1 算法具体描述  55-57
    3.4.2 实验结果与分析  57-60
  3.5 本章小结  60-61
第四章视频码流错误检测技术  61-72
  4.1 视频码流错误检测技术的研究现状  61-62
  4.2 视频块特征提取  62-64
    4.2.1 常用特征提取  62-63
    4.2.2 引入的新特征  63-64
  4.3 基于多特征的视频分级错误检测算法  64-68
    4.3.1 基于语法规则的错误检测  65
    4.3.2 基于安全阈值的错误检测  65-66
    4.3.3 基于SVM 的错误检测  66-68
  4.4 实验结果  68-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章空域错误隐藏技术  72-80
  5.1 空域错误隐藏的研究现状  72-74
  5.2 基于边界分段匹配的空域视频错误隐藏算法  74-78
    5.2.1 算法思想  74
    5.2.2 算法具体描述  74-77
    5.2.3 实验结果  77-78
  5.3 本章小结  78-80
第六章时域错误隐藏技术  80-97
  6.1 时域错误隐藏的研究现状  80-84
    6.1.1 宏块丢失时域错误隐藏算法  80-82
    6.1.2 整帧丢失时域错误隐藏算法  82-84
  6.2 基于运动物体的时域错误隐藏算法  84-91
    6.2.1 算法思想  85
    6.2.2 算法具体描述  85-88
    6.2.3 实验结果  88-91
  6.3 基于残差分布的H.264 自适应整帧恢复算法  91-96
    6.3.1 算法思想  91
    6.3.2 算法具体描述  91-94
    6.3.3 实验结果  94-96
  6.4 本章小结  96-97
第七章信源解码抗误码融合技术  97-106
  7.1 传真MH 码二值图像抗误码融合技术  97-102
    7.1.1 基于假设检验的纠错译码算法  98
    7.1.2 误码补偿新机制  98-100
    7.1.3 抗误码融合技术  100
    7.1.4 实验结果  100-102
  7.2 MPEG-2 中帧内编码帧抗误码融合技术  102-105
    7.2.1 基于假设检验的纠错译码算法  102-103
    7.2.2 抗误码融合技术  103-104
    7.2.3 实验结果  104-105
  7.3 本章小结  105-106
第八章总结与展望  106-108
  一、课题总结  106-107
  二、进一步研究  107-108
参考文献  108-119
附录作者简历攻读博士期间完成的主要工作  119-121
致谢  121

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